Methodes de detection du niveau d'eau dans les boilers a vapeur

L’application des controles et alarmes de niveau, ainsi qu’un apercu des differentes methodes de detection de niveau, y compris les controles a type flotteur, les sondes de conductivite et les dispositifs a capacite.

Methodes de detection du niveau d’eau dans les boilers a vapeur

Sur un boiler producteur de vapeur, il y a trois applications claires pour les dispositifs de surveillance du niveau :

• Controle du niveau - Pour s’assurer que la bonne quantite d’eau est ajoutee au boiler au bon moment.
• Alarme de niveau bas - Pour un fonctionnement sur du boiler, lalarme de niveau bas garantit que la combustion du combustible ne continue pas si le niveau d'eau dans le boiler est tombe a ou en dessous d'un niveau predetermine. Pour les boilers a vapeur a controle automatique, les normes nationales exigent generalement deux alarmes de niveau bas independantes, pour garantir la securite. Au Royaume-Uni, la plus basse des deux alarmes 'verrouillera le bruleur, et un reinitialisation manuel est necessaire pour remettre le boiler en service.
• Alarme de niveau haut - L’alarme se declenche si le niveau d’eau monte trop haut, informant l’operateur du boiler de couper l’alimentation en eau d’alimentation. Bien que pas generalement obligatoire, l’utilisation d’alarmes de niveau haut est judicieuse car elles reduisent les chances d’entrainement d’eau et de coup de belier dans le systeme de distribution de vapeur. Methodes de detection automatique du niveau Les sections suivantes de ce module discutent des principaux types de dispositifs de detection de niveau qui sont applicables aux boilers a vapeur. Theorie electrique de base La maniere dont l’electricite circule peut etre comparee a un liquide. Le liquide circule dans un tuyau de la meme maniere que l’electricite circule dans un conducteur (voir Figure 3.16.2). Un conducteur est un materiau, tel quun fil metallique, qui permet la circulation libre du courant electrique. (L'oppose d'un conducteur est un isolant qui resiste au courant electrique, comme le verre ou le plastique). Un courant electrique est un flux de 'charge electrique, transporte par de minuscules particules appeles electrons ou ions. La charge est mesuree en coulombs. 6,24 x 10^18 electrons ensemble ont une charge d’un coulomb, ce qui en termes d’unites SI de base equivaut a 1 ampere-seconde. Lorsque des electrons ou des ions sont mis en mouvement, le courant electrique est mesure en coulombs par seconde plutot qu’en electrons ou ions par seconde. Cependant, le terme ‘ampere’ (ou A) est donne a l’unite dans laquelle le courant electrique est mesure.
• 1 A = Un flux de 6,24 x 10^18 electrons par seconde.
• 1 A = 1 coulomb par seconde. La force qui provoque la circulation du courant est connue sous le nom de force electromotrice ou FEM. Une batterie, un dynamo de bicyclette ou un generateur de centrale electrique (entre autres exemples) peuvent la fournir. Une batterie a une borne positive et une borne negative. Si un fil est connecte entre les bornes, un courant circulera. La batterie agit comme une source de pression similaire a la pompe dans un systeme hydraulique. La difference de potentiel entre les bornes d’une source de FEM est mesuree en volts et plus la tension (pression) est elevee, plus le courant (debit) est important. Le circuit a travers lequel le courant circule presente une resistance (similaire a la resistance presentee par les tuyaux et les vannes dans un systeme hydraulique). L’unite de resistance est l’ohm (symbolise par Ω) et la loi d’Ohm relie le courant, la tension et la resistance, voir Equation 3.16.1 : Ou : I = Courant (amperes) V = Tension (volts) R = Resistance (ohms) Un autre concept electrique important est la ‘capacitance’. Elle mesure la capacite de charge entre deux conducteurs (a peu pres analogue au volume d’un conteneur) en termes de charge necessaire pour elever son potentiel d’un volt. Une paire de conducteurs a une grande capacitance s’ils ont besoin d’une grande quantite de charge pour elever la tension entre eux d’un volt, tout comme un grand recipient a besoin d’une grande quantite de gaz pour le remplir a une certaine pression. L’unite de capacitance est un coulomb par volt, qui est appele un farad. Sondes de conductivite Considerons un reservoir ouvert avec un peu d’eau. Une sonde (tige metallique) est suspendue dans le reservoir (voir Figure 3.16.3). Si une tension electrique est appliquee et que le circuit comprend un amperemetre, ce dernier montrera que :
• Avec la sonde immergee dans l’eau, le courant circulera dans le circuit.
• Si la sonde est retiree de l’eau, le courant ne circulera pas dans le circuit. C’est le principe de la sonde de conductivite. Le principe de conductivite est utilise pour donner une mesure ponctuelle. Lorsque le niveau d’eau touche la pointe de la sonde, il declenche une action via un controleur associe. Cette action peut etre de :
• Demarrer ou arreter une pompe.
• Ouvrir ou fermer une vanne.
• Declencher une alarme.
• Ouvrir ou fermer un relais. Mais une seule pointe ne peut fournir qu’une seule action ponctuelle. Ainsi, deux pointes sont necessaires avec une sonde de conductivite pour allumer et eteindre une pompe a des niveaux predetermines, (Figure 3.16.4). Lorsque le niveau d’eau baisse et expose la pointe au point A, la pompe commencera a fonctionner. Le niveau d’eau monte jusqu’a ce qu’il touche la deuxieme pointe au point B, et la pompe sera eteinte. Les sondes peuvent etre installees dans des recipients fermes, par exemple un boiler. La Figure 3.16.5 montre un reservoir metallique a dessus ferme - Remarque ; un isolant est necessaire la ou la sonde traverse le dessus du reservoir. Encore une fois :
• Avec la sonde immergee, le courant circulera.
• Avec la sonde hors de l’eau, le courant cesse. Remarque : Un courant alternatif est utilise pour eviter la polarisation et l’electrolyse (la decomposition de l’eau en hydrogene et oxygene) au niveau de la sonde. Une sonde de conductivite standard doit etre utilisee pour fournir une alarme de niveau bas dans un boiler. Selon la reglementation britannique, celle-ci doit etre testee quotidiennement. Pour une sonde simple, il y a un probleme potentiel - Si de la salete s’accumule sur l’isolant, un chemin conducteur serait cree entre la sonde et le reservoir metallique et le courant continuerait a circuler meme si la pointe de la sonde est hors de l’eau. Cela peut etre resolu en conceuvant et en fabricant la sonde de conductivite de sorte que l’isolant soit long, et gain sur la plus grande partie de sa longueur avec un materiau isolant lisse tel que le PTFE/Teflon. Cela minimisera le risque d’accumulation de salete autour de l’isolant, voir Figure 3.16.6. Le probleme a ete resolu par :
• L’utilisation d’un isolant dans l’espace vapeur.
• L’utilisation d’un long gainage lisse en PTFE comme isolant sur pratiquement toute la longueur de la sonde metallique.
• La sensibilite reglable au niveau du controleur. Des sondes de conductivite speciales sont disponibles pour les alarmes de niveau bas, et sont appelees ‘auto-surveillantes’. Plusieurs fonctions d’auto-verification sont incorporees, y compris :
• Une pointe de comparaison qui mesure et compare en continu la resistance a la masse a travers l’isolant et a travers la pointe de la sonde.
• La verification des fuites de courant entre la sonde et l’isolant.
• D’autres routines d’auto-test. Selon la reglementation britannique, l’utilisation de ces systemes speciaux permet un test hebdomadaire plutot que quotidien. Cela est du aux niveaux de securite intrinsequement plus eleves dans leur conception. La pointe d’une sonde de conductivite doit etre coupee a la longueur correcte pour qu’elle represente fidelement le point de commutation souhaite. Resume des sondes de conductivite Les sondes de conductivite sont :
• Generalement montees verticalement.
• Utilisees la ou le controle de niveau tout ou rien est adapte.
• Souvent fournies montees en groupes de trois ou quatre dans un seul boitier, bien que d’autres configurations soient disponibles.
• Coupees a la longueur lors de l’installation. Comme les sondes utilisent la conductivite electrique pour fonctionner, les applications utilisant de l’eau tres pure (conductivite inferieure a 5 μ Siemens/cm) ne sont pas adaptees.

Sondes capacitives

Un condensateur simple peut etre fabrique en inserant un materiau dielectrique (une substance qui a peu ou pas de conductivite electrique, par exemple l’air ou le PTFE), entre deux plaques paralleles de materiau conducteur (Figure 3.16.8). Un condensateur basique peut etre construit en plongeant deux plaques conductrices paralleles dans un liquide dielectrique (Figure 3.16.9). Si la capacitance est mesuree a mesure que les plaques sont progressivement immergees, on verra que la capacitance change proportionnellement a la profondeur a laquelle les plaques sont immergees dans le liquide dielectrique. La capacitance augmente a mesure qu’une plus grande partie de la surface des plaques est immergee dans le liquide (Figure 3.16.10). Un condensateur simple peut etre fabrique en inserant un materiau dielectrique (une substance qui a peu ou pas de conductivite electrique, par exemple l’air), entre deux plaques paralleles de materiau conducteur (Figure 3.16.8). La situation est quelque peu differente dans le cas de plaques immergees dans un liquide conducteur, comme l’eau du boiler, car le liquide ne fonctionne plus comme un dielectrique, mais plutot comme une extension des plaques. La sonde de niveau capacitive se compose donc d’une sonde cylindrique conductrice, qui agit comme la premiere plaque du condensateur. Cette sonde est recouverte d’un materiau dielectrique approprie, generalement du PTFE. La deuxieme plaque du condensateur est formee par la paroi du reservoir (dans le cas d’un boiler, le corps du boiler) avec l’eau contenue dans le reservoir. Par consequent, en modifiant le niveau d’eau, la surface de la deuxieme plaque du condensateur change, ce qui affecte la capacitance globale du systeme (voir Equation 3.16.2). La capacitance totale du systeme a donc deux composantes (illustrees a la Figure 3.16.12) :

• CA, la capacitance au-dessus de la surface du liquide - La capacitance se developpe entre la paroi du reservoir et la sonde. Le dielectrique se compose a la fois de l’air entre la sonde et la paroi du reservoir, et du gainage en PTFE.
• CB, la capacitance en-dessous de la surface du liquide - La capacitance se developpe entre la surface de l’eau en contact avec la sonde et le seul dielectrique est le gainage en PTFE. Puisque la distance entre les deux plaques du condensateur au-dessus de la surface de l’eau (la paroi du reservoir et la sonde) est grande, la capacitance CA est petite (voir Equation 3.16.2). Inversement, la distance entre les plaques en-dessous de la surface de l’eau (la sonde et l’eau elle-meme) est petite et par consequent, la capacitance CB sera grande par rapport a CA. Le resultat net est que toute augmentation du niveau d’eau provoquera une augmentation de la capacitance qui peut etre mesuree par un dispositif approprie. Le changement de capacitance est cependant petit (generalement mesure en picofarads, par exemple, 10^-12 farads) donc la sonde est utilisee en conjonction avec un circuit amplificateur. Le changement amplifie de capacitance est ensuite transmis a un controleur approprie. La ou la sonde capacitive est utilisee dans, par exemple, un feedtank, (Figure 3.16.13) les niveaux de liquide peuvent etre surveilles en continu avec une sonde capacitive. Le controleur associe peut etre configure pour moduler une vanne de controle, et/ou pour fournir des fonctions ponctuelles telles qu’un point d’alarme de niveau haut ou une alarme de niveau bas. Le controleur peut egalement etre configure pour fournir un controle tout ou rien. Ici, les points de commutation ‘marche’ et ‘arret’ sont contenus dans une seule sonde et sont regles via le controleur, eliminant tout besoin de couper la sonde. Comme une sonde capacitive doit etre entierement enrobee de materiau isolant, elle ne doit pas etre coupee a la longueur.

Controle a flotteur

C’est une forme simple de mesure de niveau. Un exemple quotidien de controle de niveau avec un flotteur est la citerne d’une toilette. Lorsque la toilette est tiree, le niveau d’eau baisse dans la citerne, le flotteur suit le niveau d’eau et ouvre la vanne d’entree d’eau. Eventuellement la citerne se ferme et a mesure que l’eau fraiche entre, le niveau d’eau augmente, le flotteur monte et ferme progressivement la vanne d’entree d’eau jusqu’a ce que le niveau requis soit atteint. Le systeme utilise dans les boilers a vapeur est tres similaire. Un flotteur est monte dans le boiler. Cela peut etre dans une chambre externe, ou directement dans le corps du boiler. Le flotteur montera et descendra a mesure que le niveau d’eau change dans le boiler. L’etape suivante est de surveiller ce mouvement et de l’utiliser pour controler soit :

• Une pompe d’alimentation (un systeme de controle de niveau tout ou rien) ou
• Une vanne de controle d’eau d’alimentation (un systeme de controle de niveau modulant) En raison de sa flottabilite, le flotteur suit le niveau d’eau de haut en bas.
• A l’extremite opposee de la tige du flotteur se trouve un aimant, qui se deplace a l’interieur d’un capuchon en acier inoxydable. Parce que le capuchon est en acier inoxydable, il est (virtuellement) non magnetique, et permet aux lignes de magnetisme de le traverser. Dans sa forme la plus simple, la force magnetique actionne les commutateurs magnetiques comme suit :
• Le commutateur inferieur allumera la pompe d’alimentation.
• Le commutateur superieur eteindra la pompe d’alimentation. Cependant, en pratique, un seul commutateur fournira souvent un controle tout ou rien de la pompe, laissant le deuxieme commutateur pour une alarme. Cette meme disposition peut etre utilisee pour fournir des alarmes de niveau. Un systeme plus sophistique pour fournir un controle modulant utilisera une bobine enroulee autour d’un joug a l’interieur du capuchon. A mesure que l’aimant monte et descend, l’inductance de la bobine changera, et cela est utilise pour fournir un signal analogique a un controleur puis a la vanne de controle du niveau d’eau d’alimentation. Application du controle a flotteur Monte verticalement ou horizontalement, le signal de sortie de niveau est generalement via un commutateur a commande magnetique (type mercure ou type ‘air-break’) ; ou comme un signal modulant d’une bobine inductive du au mouvement d’un aimant attache au flotteur. Dans les deux cas, l’aimant agit a travers un tube en acier inoxydable non magnetique.

Cellules de pression differentielle

La cellule de pression differentielle est installee avec une hauteur constante d’eau d’un cote. L’autre cote est dispose pour avoir une hauteur qui varie avec le niveau d’eau du boiler. La capacitance variable, la jauge de contrainte ou les techniques inductives sont utilisees pour mesurer la deflexion d’une membrane, et a partir de cette mesure, un signal electronique de niveau est produit. L’utilisation de cellules de pression differentielle est courante dans les applications suivantes :

• Les boilers a tubes d’eau a haute pression ou de l’eau demineralisee de haute qualite est utilisee.
• La ou de l’eau tres pure est utilisee, par exemple dans un processus pharmaceutique. Dans ces applications, la conductivite de l’eau est tres basse, et cela peut signifier que les sondes de conductivite et de capacitance ne fonctionneront pas de maniere fiable.